KR102014910B1

KR102014910B1 - 건설 기계

Info

Publication number: KR102014910B1
Application number: KR1020150016488A
Authority: KR
Inventors: 세이지 히지카타; 고지 이시카와; 다카토시 오오키; 신야 이무라
Original assignee: 히다치 겡키 가부시키 가이샤
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2019-08-27
Also published as: EP2902551B1; US20150218780A1; KR20150092012A; JP6005082B2; EP2902551A1; CN104818743A; JP2015148237A; US9394670B2; CN104818743B

Abstract

유압 액추에이터로부터의 압유 에너지를 회수하는 에너지 회수 장치를 구비하고, 원동기의 동력을 변경한 경우여도 양호한 조작성을 실현할 수 있는 건설 기계를 제공한다.
엔진(1)과, 유압 펌프(2)와, 복수의 유압 액추에이터(31∼34)와, 복수의 컨트롤 밸브(41∼44)와, 복수의 조작 장치(71∼74)와, 에너지 회수 장치(80)와, 작업 모드 전환 스위치(76)와, 엔진 회전수 다이얼(77)과, 압력 센서(75)와, 상기 작업 모드 전환 스위치, 상기 엔진 회전수 다이얼 및 상기 압력 센서로부터의 입력 신호에 의거하여 상기 에너지 회수 장치에 의해 회수되는 압유 유량을 제어하는 컨트롤러(90)를 구비한다.

Description

건설 기계{CONSTRUCTION MACHINE}

본 발명은, 유압 액추에이터를 구비한 건설 기계에 관한 것이고, 특히 유압 액추에이터로부터의 리턴 압유(壓油)의 에너지를 회수하는 에너지 회수 장치를 구비한 건설 기계에 관한 것이다.

유압 액추에이터로부터의 리턴 압유의 에너지를 회수하는 에너지 회수 장치로서, 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 것이 있다.

특허문헌 1에는, 유압 액추에이터로부터의 리턴 압유로 구동되는 회생 유압 모터와, 이 회생 유압 모터에 직결된 전동기와, 이 전동기에서 발전한 전력을 축전하는 축전 장치를 구비한 에너지 회수 장치가 개시되어 있다.

일본 공개특허 특개2000-136806호 공보

건설 기계로 작업을 행할 때, 일반적으로 오퍼레이터는, 엔진 회전수를 최대 회전수로 설정한 상태에서 작업기를 조작한다. 그러나, 미(微)조작 시 등 작업기를 완만하게 동작시키고 싶은 경우나 엔진의 동력을 억제하여 연비를 향상시키고 싶은 경우 등, 엔진 회전수 다이얼을 저(低)위치로 조절함으로써, 혹은 작업 모드 전환 스위치를 예를 들면 스피드 우선 모드로부터 연비 우선 모드로 전환함으로써, 엔진 회전수를 조금 낮게 설정한 상태에서 조작하는 경우가 있다.

일반적인 건설 기계에서는, 엔진 회전수를 내리면 유압 펌프의 토출 유량이 감소하고, 작업기를 구동하는 복수의 유압 액추에이터의 속도도 각각 동등한 비율로 저하되기 때문에, 엔진 회전수를 조금 낮게 설정한 상태에서 최대 회전수 설정 시와 동일한 복합 레버 조작을 행한 경우, 작업기는, 동작 속도가 저하되는 점을 제외하면, 최대 회전수 설정 시와 동일하게 동작한다(복합 조작성은 악화되지 않는다).

이에 대하여, 복수의 유압 액추에이터 중 특정한 유압 액추에이터에 특허문헌 1에 기재된 에너지 회수 장치를 설치한 건설 기계에서는, 이 특정한 유압 액추에이터의 회생 방향의 속도는, 유압 펌프의 토출 유량이 아니고 회생 유압 모터의 회생 유량으로 결정되기 때문에, 엔진 회전수를 조금 낮게 설정해도 최대 회전수 설정 시와 다르지 않다. 그 때문에, 엔진 회전수를 조금 낮게 설정한 상태에서 최대 회전수 설정 시와 동일한 복합 레버 조작을 행한 경우, 다른 유압 액추에이터의 속도가 저하되는 한편, 에너지 회수 장치를 설치한 특정한 유압 액추에이터의 회생 방향의 속도는 저하되지 않기 때문에, 작업기는 최대 회전수 설정 시와는 다른 동작을 한다(복합 조작성이 악화된다).

예를 들면, 에너지 회수 장치를 붐 실린더의 보텀 측에 설치한 유압 셔블(shovel)에 있어서, 엔진 회전수를 조금 낮게 설정한 상태에서, 버킷을 수평 전방으로 압출하는 수평 누름 동작(붐 하강 동작과 아암 덤프 동작의 복합 동작)을 최대 회전수 설정 시와 동일한 복합 레버 조작으로 행하고자 하면, 아암 덤프 속도에 대하여 붐 하강 속도가 지나치게 빠르기 때문에, 버킷을 수평 전방으로 압출하기 전에 버킷이 지면에 접촉해버릴 우려가 있다.

본 발명은, 유압 액추에이터로부터의 리턴 압유의 에너지를 회수하는 에너지 회수 장치를 구비하고, 원동기의 동력을 변경한 경우에도 양호한 복합 조작성을 실현할 수 있는 건설 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 원동기와, 상기 원동기에 의해 구동되는 유압 펌프와, 상기 유압 펌프로부터 공급되는 압유에 의해 구동되는 복수의 유압 액추에이터와, 상기 복수의 유압 액추에이터에 공급되는 압유의 유량을 제어하는 복수의 컨트롤 밸브와, 상기 복수의 컨트롤 밸브를 조작하는 복수의 조작 장치와, 상기 복수의 유압 액추에이터 중 특정한 유압 액추에이터로부터의 리턴 압유에 의해 구동되는 회생 유압 모터를 갖는 에너지 회수 장치를 구비한 건설 기계에 있어서, 상기 원동기의 동력을 오퍼레이터에 의해 지시되는 값으로 조정하는 동력 조정 장치와, 상기 복수의 조작 장치 중 상기 특정한 유압 액추에이터에 대응한 특정한 조작 장치의 조작량을 검출하는 조작량 검출 장치와, 상기 동력 조정 장치 및 상기 조작량 검출 장치로부터의 입력 신호에 의거하여 상기 회생 유압 모터에 의해 회수되는 압유 유량을 제어하는 제어 장치를 구비하는 것으로 한다.

이와 같이 구성한 본 발명에 있어서는, 유압 액추에이터로부터의 압유 에너지를 회수하는 에너지 회생 장치를 구비한 건설 기계에 있어서, 원동기의 동력을 변경한 경우여도 양호한 조작성을 실현할 수 있다.

(2) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는, 상기 원동기는 엔진이고, 상기 동력 조정 장치는, 상기 엔진의 목표 회전수를 설정하기 위한 엔진 회전수 설정 수단이다.

(3) 상기 (2)에 있어서, 바람직하게는, 상기 제어 장치는, 상기 엔진 회전수 설정 수단에 의해 설정된 상기 목표 회전수가 저하됨에 따라 상기 회생 유압 모터에 의해 회수되는 압유 유량을 감소하도록 제어한다.

(4) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는, 상기 원동기는 엔진이고, 상기 동력 조정 장치는, 선택된 작업 모드에 따라 상기 엔진의 목표 회전수를 설정하기 위한 작업 모드 선택 수단이다.

(5) 상기 (4)에 있어서, 바람직하게는, 상기 제어 장치는, 상기 선택된 작업 모드가 저속 모드이고, 상기 작업 모드 선택 수단에 의해 이 저속 모드에 따른 목표 회전수가 설정되었을 때에, 상기 회생 유압 모터에 의해 회수되는 압유 유량을 감소하도록 제어한다.

(6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, 바람직하게는, 상기 에너지 회수 장치는, 상기 회생 유압 모터에 기계적으로 연결된 발전·전동기를 더 갖고, 상기 제어 장치는, 상기 조작량 검출 장치 및 상기 동력 조정 장치로부터의 입력 신호에 의거하여 상기 리턴 압유의 목표 유량을 연산하고, 상기 회생 유압 모터에 의해 회수되는 압유 유량이 상기 목표 유량이 되도록 상기 발전·전동기의 회전수를 제어한다.

(7) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, 바람직하게는, 상기 회생 유압 모터는, 가변 용량형 유압 모터이고, 상기 제어 장치는, 상기 조작량 검출 장치 및 상기 동력 조정 장치로부터의 입력 신호에 의거하여 상기 리턴 압유의 목표 유량을 연산하고, 상기 가변 용량형 유압 모터에 의해 회수되는 압유 유량이 상기 목표 유량이 되도록 상기 가변 용량형 유압 모터의 변위 용적(displacement volume)을 제어한다.

본 발명에 의하면, 유압 액추에이터로부터의 압유 에너지를 회수하는 에너지 회생 장치를 구비한 건설 기계에 있어서, 원동기의 동력을 변경한 경우여도 양호한 조작성을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관련된 유압 셔블의 외관을 나타내는 도면이다.
도 2는 제 1 실시형태에 관련된 건설 기계의 일례로서의 유압 셔블에 탑재되는 유압 제어 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 제 1 실시형태에 관련된 컨트롤러의 제어 블록도를 나타내는 도면이다.
도 4는 엔진 회전수 다이얼 위치와 목표 엔진 회전수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 붐 하강 측 파일럿압과 목표 보텀 유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 목표 엔진 회전수와 목표 보텀 유량의 조정 계수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 제 2 실시형태에 관련된 건설 기계의 일례로서의 유압 셔블에 탑재되는 유압 제어 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 제 2 실시형태에 관련된 컨트롤러의 제어 블록도를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 이용하여 설명한다.

<제 1 실시형태>

∼구성∼

본 발명의 제 1 실시형태에 대하여 도 1∼도 6을 이용하여 설명한다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 관련된 건설 기계의 일례로서의 유압 셔블의 외관을 나타내는 도면이다. 도 1에 있어서, 유압 셔블은 하부 주행체(100)와 상부 선회체(200)와 셔블 기구(300)를 구비하고 있다.

하부 주행체(100)는, 한 쌍의 크롤러(101) 및 크롤러 프레임(102), 각 크롤러를 독립적으로 구동하는 한 쌍의 주행 유압 모터(35)(모두 편측만 도시)를 구비하고 있다.

상부 선회체(200)는, 선회 프레임(201)을 갖고, 선회 프레임(201) 상에는, 원동기로서의 엔진(1), 엔진(1)에 의해 구동되는 유압 펌프(2), 하부 주행체(100)에 대하여 상부 선회체(200)(선회 프레임(201))를 선회 구동하는 선회 유압 모터(34), 컨트롤 밸브(4) 등이 탑재되어 있다.

셔블 기구(300)는, 상부 선회체(200)에 상하 방향으로 회전 운동 가능하게 장착되어 있다. 셔블 기구(300)는, 붐(301)과 아암(302)과 버킷(303)을 갖고, 붐(301)은 붐 실린더(31)의 신축에 의해 상하 방향으로 회전 운동하며, 아암(302)은 아암 실린더(32)의 신축에 의해 상하·전후 방향으로 회전 운동하고, 버킷(303)은 버킷 실린더(33)의 신축에 의해 상하·전후 방향으로 회전 운동한다.

도 2는, 제 1 실시형태에 관련된 건설 기계의 일례로서의 유압 셔블에 탑재되는 유압 제어 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 유압 제어 시스템은, 엔진(1)(원동기)과, 유압 펌프(2)와, 붐 실린더(31)와, 아암 실린더(32)와, 버킷 실린더(33)와, 선회 유압 모터(34)와, 컨트롤 밸브(4)(도 1에 나타냄) 내에 설치된 스풀 밸브(41∼44)와, 파일럿 유압 펌프(6)와, 조작 장치(71∼74)와, 에너지 회수 장치(80)와, 제어 장치로서의 컨트롤러(90)를 구비하고 있다. 또한, 도 2에 있어서, 상기 이외의 유압 액추에이터(주행 유압 모터 등)의 구동을 제어하는 유압 회로 부분에 대해서는 도시를 생략하고 있다.

유압 펌프(2)는, 스풀 밸브(41∼44) 및 액추에이터 유로(51a, 51b, 52a, 52b, 53a, 53b, 54a, 54b)를 개재하여 유압 액추에이터(31∼34)에 접속되어 있다. 스풀 밸브(41∼44)가 도시의 중립 위치로부터 좌우 어느 것의 방향으로 조작되면, 유압 펌프(2)로부터 토출된 압유가 스풀 밸브(41∼44)의 좌우 위치에 형성된 미터 인(meter-in) 유로를 개재하여 유압 액추에이터(31∼34)에 공급된다. 붐 실린더(31)를 제외한 유압 액추에이터(32∼34)로부터 배출되는 리턴 압유는, 각각 스풀 밸브(42∼44)의 좌우 위치에 형성된 미터 아웃(meter-out) 유로를 개재하여 탱크로 되돌려진다. 붐 상승 동작 시에 붐 실린더(31)의 로드측 실로부터 배출되는 리턴 압유는, 스풀 밸브(41)의 좌측 위치(A1)에 형성된 미터 아웃 유로를 개재하여 탱크로 되돌려진다. 스풀 밸브(41)의 우측 위치(B1)에는 미터 아웃 유로는 형성되어 있지 않고, 붐 하강 동작 시에 붐 실린더(31)의 보텀측 실로부터 배출되는 리턴 압유(이하, 보텀 유량)는, 회생 유로(56) 및 에너지 회수 장치(80)를 개재하여 탱크로 되돌려진다.

스풀 밸브(41∼44)의 좌우 파일럿 수압(受壓)부(41a, 41b, …, 44a, 44b)는, 좌우 파일럿 유로(71a, 71b, …, 74a, 74b)를 개재하여 각각 조작 장치(71∼74)의 출력 포트에 접속되어 있다. 조작 장치(71∼74)의 입력 포트는, 파일럿 유로(61)를 개재하여 파일럿 유압 펌프(6)에 접속되어 있다. 조작 장치(71∼74)는, 파일럿 유압 펌프(6)의 토출압(이하, 파일럿 1차압)을 원(元)압으로 하여, 각각에 설치된 조작 레버(71c∼74c)의 조작량에 따른 파일럿압을 생성하고, 파일럿 유로(71a, 71b, …, 74a, 74b)에 출력한다. 스풀 밸브(41∼44)는, 파일럿 유로(71a, 71b, …, 74a, 74b)를 개재하여 좌우 파일럿 수압부(41a, 41b, …, 44a, 44b)로 유도된 파일럿압에 따라, 도시의 중립 위치로부터 좌우 어느 것의 방향으로 조작된다.

붐 실린더(31)의 보텀측 실과 스풀 밸브(41)를 접속하는 액추에이터 유로(51b)(이하, 보텀 측 유로)에는, 보텀측 실에 압유를 공급하는 방향(붐 상승 방향)의 흐름을 허용하고, 보텀측 실로부터 압유를 배출하는 방향(붐 하강 방향)의 흐름을 방지하는 파일럿 체크 밸브(55)가 설치되어 있다. 파일럿 체크 밸브(55)는, 붐 실린더(31)의 보텀측 실로부터의 부주의한 압유 배출(붐 낙하)을 방지하기 위한 것이다. 파일럿 체크 밸브(55)에는, 붐 하강 측 파일럿 유로(71b)를 개재하여 붐 하강 측 파일럿압 P2가 유도된다. 붐 하강 측 파일럿압 P2가 소정의 압력 P2min(후술)을 넘으면, 파일럿 체크 밸브(55)는 개방 상태가 되고, 붐 하강 방향의 흐름이 허용된다.

붐 하강 측 파일럿 유로(71b)에는 압력 센서(75)가 설치되어 있고, 압력 센서(75)는, 조작 레버(71c)를 붐 하강 측으로 조작했을 때에 조작 장치(71)로부터 출력되는 붐 하강 측 파일럿압 P2를 전기 신호로 변환하며, 컨트롤러(90)에 출력한다. 압력 센서(75)는, 조작 레버(71c)(조작 장치(71))의 붐 하강 측의 조작량을 검출하는 조작량 검출 장치를 구성하고 있다.

에너지 회수 장치(80)는, 회생 유로(56)를 개재하여 보텀 측 유로(51b)에 접속되어 있다. 회생 유로(56)에는, 도시의 폐쇄 위치(E 위치)와 개방 위치(F 위치)의 사이에서 전환 가능한 파일럿 전환 밸브(57)가 설치되어 있고, 파일럿 전환 밸브(57)의 파일럿 수압부(57a)는, 파일럿 유로(62)를 개재하여 파일럿 유로(61)에 접속되어 있다. 파일럿 유로(62)에는, 도시의 폐쇄 위치(C 위치)와 개방 위치(D 위치)의 사이에서 전환 가능한 전자(電磁) 전환 밸브(58)가 설치되어 있다. 전자 전환 밸브(58)의 솔레노이드부(58a)는, 컨트롤러(90)에 접속되어 있다. 컨트롤러(90)로부터의 제어 신호(CS58)에 의해 전자 전환 밸브(58)가 도시의 폐쇄 위치(C 위치)로부터 개방 위치(D 위치)로 전환 조작되면, 파일럿 전환 밸브(57)의 파일럿 수압부(57a)에, 파일럿 유로(62)를 개재하여 파일럿 1차압이 유도된다. 이에 따라, 파일럿 전환 밸브(57)가 도시의 폐쇄 위치(E 위치)로부터 개방 위치(F 위치)로 전환되어, 보텀 측 유로(51b)와 에너지 회수 장치(80)를 접속하는 회생 유로(56)가 연통된다.

에너지 회수 장치(80)는, 회생 유로(56)에 접속된 정(定)용량형의 회생 유압 모터(81)와, 회생 유압 모터(81)에 기계적으로 연결된 전동기(82)와, 인버터(83)와, 초퍼(84)와, 축전 장치(85)를 구비하고 있다. 회생 유로(56)를 개재하여 공급되는 붐 실린더(31)의 보텀 유량에 의해 회생 유압 모터(81)가 구동되고, 전동기(82)가 발전된다. 전동기(82)에 의해 발전된 전력은, 인버터(83) 및 초퍼(84)에 의해 전압 제어되고, 축전 장치(85)에 축전된다. 축전 장치(85)에 축전된 전력은, 예를 들면 엔진(1)의 구동을 어시스트하는 어시스트 전동기(도시 생략) 등의 구동에 이용된다. 인버터(83)는, 컨트롤러(90)에 접속되어 있고, 컨트롤러(90)로부터의 제어 신호(CS83)에 따라 전동기(82)의 회전수를 제어한다. 전동기(82)의 회전수를 제어함으로써, 회생 유압 모터(81)의 회생 유량(붐 실린더(31)의 보텀 유량)이 제어된다.

그 밖에, 본 실시형태에 관련된 유압 제어 시스템은, 작업 모드 전환 스위치(76)와 엔진 회전수 다이얼(77)을 구비하고 있다. 작업 모드 전환 스위치(76)는, 유압 셔블의 작업 모드를 선택하기 위한 것이다. 본 실시형태에 관련된 유압 셔블에서는, 고속 모드(작업 스피드 우선 모드), 중속 모드, 저속 모드(연비 우선 모드) 중 어느 하나의 작업 모드를 선택 가능하고, 선택된 작업 모드에 따라 엔진(1)의 회전수가 설정된다. 엔진 회전수 다이얼(77)은, 엔진(1)의 회전수를 최소 회전수 Nmin으로부터 최대 회전수 Nmax의 사이에서 설정하기 위한 것이다. 작업 모드 전환 스위치(76) 및 엔진 회전수 다이얼(77)의 각각은, 엔진(1)(원동기)의 동력을 조정하는 동력 조정 장치를 구성하고 있다.

컨트롤러(90)는, 압력 센서(75), 작업 모드 전환 스위치(76), 및 엔진 회전수 다이얼(77)로부터의 입력 신호(IS75, IS76, IS77)를 연산 처리함으로써, 엔진(1), 전자 전환 밸브(58), 및 인버터(83)를 각각 제어하기 위한 제어 신호(CS1, CS58, CS83)를 생성하고, 각각에 출력한다. 이에 따라, 엔진(1)의 회전수 및 회생 유압 모터(81)의 회생 유량(붐 실린더(31)의 보텀 유량)이 제어된다.

∼제어∼

도 3은, 컨트롤러(90)의 제어 블록을 나타내는 도면이다. 컨트롤러(90)의 제어 블록은, 엔진 제어 블록(91)(도시의 하측)과 회생 제어 블록(92)(도시의 상측)으로 구성되어 있다.

먼저, 엔진 제어 블록(91)에 대하여 설명한다. 엔진 제어 블록(91)은, 작업 모드 전환 스위치(76)(도 2에 나타냄)로부터 입력되는 작업 모드 전환 신호(IS76)와 엔진 회전수 다이얼(77)(도 2에 나타냄)로부터 입력되는 엔진 회전수 다이얼 위치 신호(IS77)에 따라 엔진(1)(도 2에 나타냄)의 회전수를 제어하는 것이고, 목표 엔진 회전수 결정부(911)와 출력 변환부(913)로 구성되어 있다. 목표 엔진 회전수 결정부(911)는, 설정 테이블(912)을 참조하여, 작업 모드 전환 신호(IS76)와 엔진 회전수 다이얼 위치 신호(IS77)에 따라 목표 엔진 회전수 TEN을 결정하고, 출력 변환부(913) 및 회생 제어 블록(92)에 출력한다.

도 4는, 도 3에 나타낸 설정 테이블(912)의 상세를 나타내는 도면이다. 설정 테이블(912)은, 3개의 작업 모드(고속 모드(a), 중속 모드(b), 저속 모드(c))마다 엔진 회전수 다이얼 위치와 목표 엔진 회전수를 대응짓는 것이고, 미리 컨트롤러(90)(도 2에 나타냄) 내의 메모리 등에 기억되어 있다. 도 4에 있어서, 엔진 회전수 다이얼 위치가 최소 위치 Dmin보다 낮은 위치에 있을 때는, 모든 작업 모드(a∼c)에서 목표 엔진 회전수는 최소 회전수 Nmin이 되고, 최소 위치 Dmin을 넘으면 다이얼 위치에 따라 증가하며, 작업 모드(a∼c)마다 설정되어 있는 상한(上限) 회전수 Nhi, Nmid, Nlow까지 증가한다. 여기서, 고속 모드(a)에 있어서의 상한 회전수 Nhi로서, 엔진(1)의 최대 회전수 Nmax가 설정되어 있다.

도 3으로 되돌아가서, 출력 변환부(913)는, 목표 엔진 회전수 결정부(911)로부터 입력된 목표 엔진 회전수 TEN을, 엔진 회전수를 제어하기 위한 엔진 제어 신호(CS1)로 변환하고, 엔진(1)에 출력한다. 이에 따라, 엔진 회전수는, 작업 모드 전환 스위치(76) 및 엔진 회전수 다이얼(77)에 따라 결정된 목표 엔진 회전수 TEN과 일치하도록 제어된다.

다음으로, 회생 제어 블록(92)에 대하여 설명한다. 회생 제어 블록(92)은, 압력 센서(75)로부터 입력되는 붐 하강 측 파일럿압 신호(IS75)와 엔진 제어 블록(91)으로부터 입력되는 목표 엔진 회전수 TEN에 따라 회생 유압 모터(81)의 회생 유량(붐 실린더(31)의 보텀 유량)을 제어하는 것이고, 목표 보텀 유량 결정부(921)와, 곱셈부(923)와, 조정 계수 결정부(924)와 출력 변환부(926, 927)로 구성되어 있다. 붐 하강 측 파일럿압 신호(IS75)는, 목표 보텀 유량 결정부(921)와 출력 변환부(927)에 입력되고, 목표 엔진 회전수 TEN은 조정 계수 결정부(924)에 입력된다.

목표 보텀 유량 결정부(921)는, 설정 테이블(922)을 참조하여, 붐 하강 측 파일럿압 P2에 대응하는 목표 보텀 유량을 결정하고, 곱셈부(923)에 출력한다.

도 5는, 도 3에 나타낸 설정 테이블(922)의 상세를 나타내는 도면이다. 설정 테이블(922)은, 붐 하강 측 파일럿압 P2와 목표 보텀 유량을 대응짓는 것이고, 미리 컨트롤러(90)(도 2에 나타냄) 내의 메모리 등에 기억되어 있다. 도 5에 나타내는 붐 하강 측 파일럿압 P2와 목표 보텀 유량의 관계는, 엔진 회전수를 최대 회전수 Nmax로 설정한 상태에서 붐 실린더(31)의 보텀 유량을 통상의 스풀 밸브의 미터 아웃 유로를 개재하여 제어한 경우의 관계와 동등하다. 목표 보텀 유량은, 붐 하강 측 파일럿압 P2가 압력 P2min보다 낮을 때는 제로이고, 소정의 압력 P2min을 넘으면 붐 하강 측 파일럿압 P2에 따라 증가한다. 여기서, 소정의 압력 P2min은, 스풀 밸브(41)(도 2에 나타냄)에 설치된 스프링의 가압력에 의해 설정되어 있다.

도 3으로 되돌아가서, 출력 변환부(927)는, 붐 하강 측 파일럿압 신호(IS75)를 전자 전환 밸브(58)의 제어 신호(CS58)로 변환하고, 전자 전환 밸브(58)의 솔레노이드부(58a)(도 2에 나타냄)에 출력한다. 구체적으로는, 붐 하강 측 파일럿압 P2가 소정의 압력 P2min보다 낮을 때는 전자 전환 밸브(58)를 폐쇄 위치로 전환하는 OFF 신호를 출력하고, 소정의 압력 P2min을 넘었을 때는 개방 위치로 전환하는 ON 신호를 출력한다. 이에 따라, 조작 장치(71)의 조작 레버(71c)가 붐 하강 측으로 조작되고, 붐 하강 측 파일럿압 P2가 소정의 압력 P2min을 넘으면, 전자 전환 밸브(58)가 개방 위치로 전환됨과 함께 파일럿 전환 밸브(57)가 개방 위치로 전환되어, 보텀 측 유로(51b)와 에너지 회수 장치(80)가 연통된다.

조정 계수 결정부(924)는, 설정 테이블(925)을 참조하여, 엔진 제어 블록(91)으로부터 입력된 목표 엔진 회전수 TEN에 따라 조정 계수를 결정하고, 곱셈부(923)에 출력한다.

도 6은, 도 3에 나타낸 설정 테이블(925)의 상세를 나타내는 도면이다. 설정 테이블(925)은, 목표 엔진 회전수 TEN과 목표 보텀 유량의 조정 계수를 대응짓는 것이고, 미리 컨트롤러(90)(도 2에 나타냄) 내의 메모리 등에 기억되어 있다. 도 6에 있어서, 목표 엔진 회전수 TEN이 최대 회전수 Nmax일 때에 1(최대)이 되고, 목표 엔진 회전수 TEN이 저하됨에 따라 조정 계수는 감소한다.

도 3으로 되돌아가서, 곱셈부(923)는, 목표 보텀 유량 결정부(921)로부터 입력된 목표 보텀 유량과 조정 계수 결정부(924)로부터 입력된 조정 계수(0∼1)를 곱하고, 출력 변환부(926)에 출력한다. 출력 변환부(926)는, 곱셈부(923)로부터 출력된 조정 후 목표 보텀 유량을 인버터 제어 신호(CS83)로 변환하고, 인버터(83)에 출력한다. 이에 따라, 전동기(82)의 회전수는, 회생 유압 모터(81)의 회생 유량이 조정 후 목표 보텀 유량과 일치하도록 제어된다.

∼동작∼

상기와 같이 구성된 유압 셔블에 있어서, 작업 모드 전환 스위치(76)를 고속 모드(a)로 설정함과 함께 엔진 회전수 다이얼(77)을 최대 위치 Dmax로 설정한 상태에서, 수평 누름 동작(붐 하강 동작+아암 덤프 동작의 복합 동작)을 행한 경우의 유압 제어 시스템의 동작에 대하여 설명한다.

작업 모드 전환 스위치(76)가 고속 모드(a)로 설정됨과 함께 엔진 회전수 다이얼(77)이 최대 위치 Dmax로 설정되어 있기 때문에, 목표 엔진 회전수 결정부(911)(도 3에 나타냄)는, 목표 엔진 회전수 TEN으로서 최대 회전수 Nmax를 출력한다. 이에 따라 엔진 회전수는, 최대 회전수 Nmax가 되도록 제어된다.

수평 누름 동작을 행할 때, 오퍼레이터는, 버킷(303)(도 1에 나타냄)이 수평 전방으로 압출되도록, 조작 레버(71c, 72c)(도 2에 나타냄)를, 각각 붐 하강 방향(D2)과 아암 덤프 방향(D4)으로, 또한 각각의 조작량의 비율을 적절하게 유지하면서 조작한다. 이때의 조작 레버(71c, 72c)의 조작량을 각각 L2h, L4h라고 하고, 조작 장치(71, 72)로부터 파일럿 유로(71b, 72b)에 출력되는 붐 하강 측 파일럿압 P2 및 아암 덤프 측 파일럿압 P4를 각각 P2h, P4h라고 한다.

스풀 밸브(42)가 아암 덤프 측 파일럿압 P4h에 따라 도시의 우측 위치(B2 위치)로 조작되면, 미터 인 유로의 개구 면적에 따라 아암 실린더(32)의 로드측 실에 압유가 공급됨과 함께 미터 아웃 유로의 개구 면적에 따라 아암 실린더(32)의 보텀측 실로부터 압유가 배출되어, 아암 실린더(32)는 축소 동작한다. 이때의 아암 실린더(32)의 축소 속도를 V2h라고 한다.

스풀 밸브(41)가 붐 하강 측 파일럿압 P2h에 따라 도시의 우측 위치(B1 위치)로 조작되면, 미터 인 유로의 개구 면적에 따른 유량으로 붐 실린더(31)의 헤드측 실에 압유가 공급된다. 붐 하강 측 파일럿압 P2h가 파일럿 체크 밸브(55)로 유도됨으로써, 파일럿 체크 밸브(55)는 개방 상태가 된다. 컨트롤러(90)로부터의 제어 신호(CS58)에 의해, 전자 전환 밸브(58)가 개방 위치(D 위치)로 전환 조작된다. 파일럿 수압부(57a)에 파일럿 유로(62)를 개재하여 파일럿 1차압이 유도됨으로써, 파일럿 전환 밸브(57)는 개방 위치(F 위치)로 전환 조작된다. 회생 유로(56)가 연통함으로써, 붐 실린더(31)의 보텀 유량이 에너지 회수 장치(80)에 의해 회수된다.

이때, 목표 보텀 유량 결정부(921)(도 3에 나타냄)는, 붐 하강 측 파일럿압 P2h(조작 레버(71c)의 조작량 L2h)에 따른 목표 보텀 유량을 출력한다. 목표 엔진 회전수 결정부(911)는, 작업 모드로서 고속 모드(a)가 선택되고, 엔진 회전수 다이얼 위치가 최대 위치 Dmax로 설정되어 있기 때문에, 목표 엔진 회전수 TEN으로서 최대 회전수 Nmax를 출력한다. 조정 계수 결정부(924)는, 설정 테이블(925)을 참조하여, 목표 엔진 회전수 TEN(최대 회전수 Nmax)에 대응하는 조정 계수로서 1을 출력한다. 곱셈부(923)는, 목표 보텀 유량과 조정 계수 1을 곱한 결과(목표 보텀 유량)를 출력한다. 이에 따라, 붐 하강 측 파일럿압 P2h(조작 레버(71c)의 조작량 L2h)에 따른 보텀 유량이 에너지 회수 장치(80)에 의해 회수되어, 붐 실린더(31)는 축소 동작한다. 이때의 붐 실린더(31)의 축소 속도를 V1h라고 한다.

다음으로, 작업 모드 전환 스위치(76)를 저속 모드(c)로 설정함과 함께 엔진 회전수 다이얼(77)을 최대 위치 Dmax로 설정한 상태에서, 조작 레버(71c, 72c)를 최대 회전수 Nmax 설정 시와 동일하게 조작한 경우의 동작에 대하여 설명한다. 또한, 파일럿 1차압은 엔진 회전수에 관계없이 일정하게 유지되어 있고, 조작 레버(71c∼74c)의 각 조작량에 따라 조작 장치(71∼74)로부터 출력되는 각 파일럿압은, 엔진 회전수에 따라 변동하지 않는 것으로서 이하 설명한다.

작업 모드 전환 스위치(76)가 저속 모드(c)로 설정됨과 함께 엔진 회전수 다이얼(77)이 최대 위치 Dmax로 설정되어 있기 때문에, 목표 엔진 회전수 결정부(911)(도 3에 나타냄)로부터는 목표 엔진 회전수 TEN으로서 저속 모드(c)의 상한 회전수 Nlow(도 4에 나타냄)가 출력된다. 이에 따라 엔진 회전수는, 저속 모드(c)의 상한 회전수 Nlow가 되도록 제어된다.

스풀 밸브(42)가 아암 덤프 측 파일럿압 P4h에 따라 도시의 우측(B2 위치)으로 조작되면, 미터 인 유로의 개구 면적에 따른 유량이 아암 실린더(32)의 로드측 실에 공급되어, 아암 실린더(32)가 축소 동작한다. 이때, 엔진(1)의 회전수가 최대 회전수 Nmax보다 낮은 Nlow로 설정되어 있기 때문에, 유압 펌프(2)의 토출 유량도 저하된다. 이때의 유압 펌프(2)의 토출 유량이, 예를 들면 최대 회전수 Nmax 설정 시의 60% 정도로 저하되었다고 하면, 로드측 실에 공급되는 유량도 60% 정도로 저하되기 때문에, 아암 실린더(32)의 축소 속도는 최대 회전수 Nmax 설정 시의 60% 정도(O.6*V2h)로 저하된다.

스풀 밸브(41)가 붐 하강 측 파일럿압 P2h에 따라 도시의 우측(B1 위치)으로 조작되면, 미터 인 유로의 개구 면적에 따른 유량이 붐 실린더(31)의 헤드측 실에 공급된다. 붐 실린더(31)의 헤드측 실에 공급되는 유량은, 상술한 아암 실린더(32)의 경우와 동일하게, 최대 회전수 Nmax 설정 시의 60% 정도로 저하된다.

한편, 붐 실린더(31)의 보텀 유량은, 최대 회전수 Nmax 설정 시와 동일하게, 에너지 회수 장치(80)에 의해 회수된다. 이때, 목표 보텀 유량 결정부(921)(도 3에 나타냄)는, 최대 회전수 Nmax 설정 시와 동일하게, 붐 하강 측 파일럿압 P2h(조작 레버(71c)의 조작량 L2h)에 따른 목표 보텀 유량을 출력한다. 조정 계수 결정부(924)는, 설정 테이블(925)을 참조하여, 목표 엔진 회전수 TEN(저속 모드(c)의 상한 회전수 Nlow)에 대응하는 조정 계수로서 0.6을 출력한다. 곱셈부(923)는, 목표 보텀 유량과 조정 계수 O.6을 곱한 결과로서 조정 후 목표 보텀 유량(=0.6*목표 보텀 유량)을 출력한다. 이에 따라, 에너지 회수 장치(80)에 의해 회수되는 보텀 유량은, 최대 회전수 Nmax 설정 시의 60% 정도로 저하되고, 붐 실린더(31)의 축소 속도는, 최대 회전수 Nmax 설정 시의 60% 정도(0.6*V1h)로 저하된다. 이와 같이, 아암 실린더(32)의 축소 속도와 붐 실린더의 축소 속도가 모두 최대 회전수 Nmax 설정 시의 60% 정도(0.6*V2h 및 0.6*V1h)로 저하되기 때문에, 최대 회전수 Nmax 설정 시와 동일한 레버 조작에 의해 수평 누름 동작이 실현된다. 이상, 수평 누름 동작의 경우에 대하여 설명했지만, 붐 하강 동작을 수반하는 다른 복합 동작에 대해서도 동일하다.

∼효과∼

상기와 같이 구성한 제 1 실시형태에 관련된 유압 셔블에서는, 엔진 회전수를 최대 회전수보다 낮게 설정한 상태에서 복합 동작을 행한 경우에도, 에너지 회수 장치(80)를 설치한 유압 액추에이터(붐 실린더(31))의 회생 시(붐 하강 시)의 속도와 다른 유압 액추에이터(32∼34)의 속도가 동등한 비율로 저하되기 때문에, 양호한 조작성을 실현할 수 있다.

<제 2 실시형태>

본 발명의 제 2 실시형태에 대하여 도 7 및 도 8을 이용하여 설명한다.

도 7은, 제 2 실시형태에 관련된 유압 제어 시스템의 전체 구성을 나타내는 도면이다. 도 7에 있어서, 제 2 실시형태에 관련된 유압 제어 시스템의 제 1 실시형태에 관련된 유압 제어 시스템(도 2에 나타냄)과의 상이점은, 정용량형의 회생 유압 모터(81)(도 2에 나타냄) 대신에, 틸팅각(tilting angle) 레귤레이터(86a)를 갖는 가변 용량형 회생 유압 모터(86)를 구비하고, 틸팅각 레귤레이터(86a)를, 컨트롤러(90)(도 2에 나타냄) 대신에 구비한 컨트롤러(90A)로부터 출력되는 제어 신호(CS86)에 의해 제어하는 구성으로 한 점이다.

도 8은, 본 실시형태에 관련된 컨트롤러(90A)의 제어 블록을 나타내는 도면이다. 도 8에 있어서, 제 2 실시형태에 관련된 제어 블록의 제 1 실시형태에 관련된 제어 블록(도 3에 나타냄)과의 상이점은, 회생 제어 블록(92)(도 3에 나타냄) 대신에 회생 제어 블록(92A)을 구비하고 있는 점이다. 제 2 실시형태에 관련된 회생 제어 블록(92A)의 제 1 회생 제어 블록(92)(도 3에 나타냄)과의 상이점은, 출력 변환부(926)(도 3에 나타냄) 대신에 출력 변환부(926A)를 구비하고, 나눗셈부(928)와 출력 변환부(929)를 더 구비하고 있는 점이다.

출력 변환부(926A)는, 미리 설정되어 있는 전동기(82)의 목표 회전수(이하, 목표 전동기 회전수 TMN)를 인버터 제어 신호(CS83A)로 변환하여, 인버터(83)에 출력한다. 이에 따라, 전동기(82)의 회전수는, 목표 전동기 회전수 TMN과 일치하도록 제어된다.

나눗셈부(928)는, 곱셈부(923)로부터 입력된 조정 후 목표 보텀 유량을 목표 전동기 회전수 TMN으로 나누고, 가변 용량형 회생 유압 모터(86)의 1회전당의 목표 변위 용적(=조정 후 목표 보텀 유량/목표 전동기 회전수 TMN)을 출력 변환부(929)에 출력한다. 출력 변환부(929)는, 목표 변위 용적을 틸팅각 레귤레이터(86a)를 제어하기 위한 틸팅 제어 신호(CS86)로 변환하고, 틸팅각 레귤레이터(86a)에 출력한다. 이에 따라, 가변 용량형 회생 유압 모터(86)의 변위 용적은 목표 변위 용적과 일치하도록 제어된다.

이와 같이 구성한 본 실시형태에 관련된 유압 제어 시스템에서는, 전동기(82)의 회전수가 목표 전동기 회전수 TMN과 일치하도록 제어되고, 또한 가변 용량형 회생 유압 모터(86)의 변위 용적이 목표 변위 용적(=조정 후 목표 보텀 유량/목표 전동기 회전수 TMN)과 일치하도록 제어됨으로써, 제 1 실시형태와 동일하게, 붐 실린더(31)의 보텀 유량이 조정 후 목표 보텀 유량과 일치하도록 제어된다. 따라서, 본 실시형태에 관련된 유압 셔블에 있어서도 제 1 실시형태와 동일한 효과가 얻어진다.

<변형예>

또한, 본 발명은, 상술의 제 1 및 제 2 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 이하와 같이 다양한 변형예가 가능하다.

1. 본 발명은, 엔진 및 어시스트 전동기를 원동기로서 구비한 하이브리드형 유압 셔블이나, 전동 모터를 원동기로서 구비한 전동 유압 셔블 등에도 적용 가능하다. 또, 상술의 실시형태에서는 건설 기계의 일례로서 유압 셔블을 채택하여 설명했지만, 본 발명은 다른 건설 기계에도 물론 적용 가능하다.

2. 회생 유압 모터(81, 86)에 의해 엔진(1)의 구동을 직접적으로 어시스트하는 구성으로 해도 된다.

3. 회생 유압 모터(81, 86)에 의해, 엔진(1) 또는 선회 유압 모터(34)의 구동을 어시스트하는 어시스트 전동기를 구동하는 구성으로 해도 된다.

4. 회생 유압 모터(81, 86)에 의해 유압 펌프를 구동하고, 그 압유 에너지를 유압 액추에이터의 구동에 직접 이용하며, 혹은 어큐뮬레이터에 일단 축압(蓄壓)한 후에 이용하는 구성으로 해도 된다.

Claims

엔진과,
상기 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와,
상기 유압 펌프로부터 공급되는 압유에 의해 구동되는 복수의 유압 액추에이터와,
상기 복수의 유압 액추에이터에 공급되는 압유의 유량을 제어하는 복수의 컨트롤 밸브와,
상기 복수의 컨트롤 밸브를 조작하는 복수의 조작 장치와,
상기 복수의 유압 액추에이터 중 특정한 유압 액추에이터로부터의 리턴 압유에 의해 구동되는 회생 유압 모터를 갖는 에너지 회수 장치를 구비한 건설 기계에 있어서,
상기 엔진의 동력을 오퍼레이터에 의해 지시되는 값으로 조정하는 동력 조정 장치와,
상기 복수의 조작 장치 중 상기 특정한 유압 액추에이터에 대응한 특정한 조작 장치의 조작량을 검출하는 조작량 검출 장치와,
상기 동력 조정 장치 및 상기 조작량 검출 장치로부터의 입력 신호에 의거하여 상기 회생 유압 모터에 의해 회수되는 압유 유량을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 제어 장치는, 상기 엔진의 회전수의 저하에 따라 상기 회생 유압 모터에 의해 회수되는 상기 압유 유량을 저하시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 동력 조정 장치는, 상기 엔진의 회전수를 설정하기 위한 엔진 회전수 설정 수단인 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 동력 조정 장치는, 선택된 작업 모드에 따라 상기 엔진의 회전수를 설정하기 위한 작업 모드 선택 수단인 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 에너지 회수 장치는, 상기 회생 유압 모터에 기계적으로 연결된 발전·전동기를 더 갖고,
상기 제어 장치는, 상기 조작량 검출 장치 및 상기 동력 조정 장치로부터의 입력 신호에 의거하여 상기 리턴 압유의 목표 유량을 연산하고, 상기 회생 유압 모터에 의해 회수되는 압유 유량이 상기 목표 유량이 되도록 상기 발전·전동기의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 회생 유압 모터는, 가변 용량형 유압 모터이고,
상기 제어 장치는, 상기 조작량 검출 장치 및 상기 동력 조정 장치로부터의 입력 신호에 의거하여 상기 리턴 압유의 목표 유량을 연산하고, 상기 가변 용량형 유압 모터에 의해 회수되는 압유 유량이 상기 목표 유량이 되도록 상기 가변 용량형 유압 모터의 변위 용적을 제어하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
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